Какво е двойственост на вълновите частици?

През последните сто години науката направи големи крачки напред в изучаването на структурата на нашия свят, както на микроскопични, така и на макроскопични нива. Страхотни открития, донесени ни от специални и общи теории на относителността квантовата механика все още възбужда умовете на обществеността. Всеки образован човек обаче трябва да разбере поне основите на съвременната наука. Един от най-впечатляващите и важни моменти е двойствеността на вълновите частици. Това е парадоксално откритие, разбирането на което е извън контрола на интуитивното ежедневно възприятие.

Корпускулите и вълните

За първи път в изучаването на светлината е открит дуализма, който се държи по различен начин в зависимост от условията. От една страна се оказа, че светлината е оптична електромагнитна вълна. От друга страна - дискретна частица (химическо действие на светлината). Първоначално учените вярваха, че тези две представяния взаимно се изключват. Многобройни експерименти обаче показват, че това не е така. Постепенно реалността на такова нещо като двойственост на вълновите частици стана обикновена. Тази концепция е основа за изучаване на поведението на сложни квантови обекти, които не са нито вълни, нито частици, а само придобиват свойствата на последните или първите, в зависимост от определени условия.

Опитът с два слота

Фотонната дифракция е ясна демонстрация на дуализма. Детекторът на заредените частици е фотопластиращ или луминесцентен екран. Всеки отделен фотон е белязан от светкавица или точкова светкавица. Комбинацията от такива знаци дава интерференционен модел - редуването на слабо и силно осветени ивици, което е характеристика на вълновата дифракция. Това се обяснява с такава концепция като двойственост на вълновите частици. Известният физик и нобелов лауреат Ричард Файнман каза, че материята се държи в малък мащаб, така че е невъзможно да се усети „естествеността“ на поведението на квантите.

Универсален дуализъм

Този опит обаче е валиден не само за фотоните. Оказа се, че дуализмът е собственост на цялата материя и е универсален. Хайзенберг твърди, че в двата варианта съществуват редувания. Днес е абсолютно доказано, че и двете свойства се проявяват напълно едновременно.

Корпускуларна вълна

И как да обясним това поведение на материята? Вълната, която е присъща на корпускулите (частиците), се нарича вълна на де Бройл от името на младия аристократ-учен, който предложи решение на този проблем. Смята се, че уравненията на Дьо Бройл описват вълновата функция, която в квадрата определя само вероятността частицата да е в различни моменти в различни точки в пространството. Казано по-просто, вълната на де Бройл е вероятност. По този начин е установено равенство между математическото понятие (вероятност) и реалния процес.

Квантово поле

Какво представляват съставните частици? Като цяло, това са кванти вълновите полета. Фотонът е квант на електромагнитно поле, позитрон и електрон е електрон-позитрон, мезонът е квант на мезонно поле и така нататък. Взаимодействието между вълновите полета се обяснява с обмена между тях с някои междинни частици, например в случай на електромагнитно взаимодействие се обменят фотони. От това директно следва друго потвърждение, че вълновите процеси, описани от де Бройл, са абсолютно реални физически явления. А двойствеността на вълновата частица не действа като „тайнствено скрито свойство“, което характеризира способността на частиците да „се превъплъщават“. Той ясно демонстрира две взаимосвързани действия - движението на обекта и свързания с него вълнов процес.

Тунелен ефект

Двойствеността на светлината на корпускулната вълна е свързана с много други интересни явления. Посоката на вълновото действие на де Бройл се проявява в така наречения тунелен ефект, т.е. когато фотоните проникват през енергийната бариера. Това явление се дължи на средната стойност, надвишаваща инерцията на частиците в момента на антинодите на вълната. С помощта на тунелирането е възможно да се разработят различни електронни устройства.

Интерференция на квантите на светлината

Съвременната наука говори за интерференцията на фотоните толкова мистериозно, колкото за интерференцията на електроните. Оказва се, че един фотон, който е неделима частица, може едновременно да пътува по всяка отворена пътека и да се намесва в себе си. Ако вземем предвид, че двойствеността на вълновата частица на свойствата на дадено вещество и фотон е вълна, която покрива много структурни елементи, тогава неговата делимост не е изключена. Това противоречи на предходните възгледи за частицата като елементарна неделима формация. Притежавайки определена маса на движението, фотонът образува надлъжна вълна, свързана с това движение, която предхожда самата частица, тъй като скоростта на надлъжната вълна е по-голяма от тази на напречната електромагнитна. Следователно, има две обяснения за намесата на фотона със себе си: частицата се разделя на две компоненти, които пречат един на друг; Фотонната вълна се движи по два начина и образува интерференчна картина. Експериментално беше установено, че се създава интерференчна картина чрез последователно преминаване на единични заредени фотонови частици през интерферометър. Това потвърждава тезата, че всеки отделен фотон се намесва. Това се вижда особено ясно, като се има предвид факта, че светлината (некохерентна и немонохроматична) е колекция от фотони, които се излъчват от атоми в взаимосвързани и случайни процеси.

Какво е светлината?

Светлинната вълна е електромагнитно нелокализирано поле, което се разпределя в пространството. Електромагнитното поле на вълната има обемна енергийна плътност, която е пропорционална на квадрата на амплитудата. Това означава, че плътността на енергията може да се променя с каквато и да е стойност, т.е. тя е непрекъсната. От една страна, светлината е поток от кванти и фотони (корпускули), които поради универсалността на такъв феномен като вълнова частица са свойства на електромагнитна вълна. Например в явленията на интерференция и дифракция и в мащаб светлината ясно демонстрира характеристиките на вълната. Например, един-единствен фотон, както е описано по-горе, преминаващ през двоен процеп, създава интерференчна картина. С помощта на експерименти беше доказано, че един фотон не е електромагнитен импулс. Тя не може да бъде разделена на греди с разделители на лъчи, както показват френските физици Аспе, Роджър и Грандж.

Светлината има и корпускуларни свойства, които се появяват, когато Комптонов ефект и с фотоелектрически ефект. Фотонът може да се държи като частица, която се абсорбира от обекти като цяло, чиито размери са много по-малки от дължината на вълната (например атомно ядро). В някои случаи фотоните като цяло могат да се считат за точкови обекти. Няма разлика от коя позиция да се вземат предвид свойствата на светлината. В областта на цветното зрение, светлинният поток може да изпълнява функциите и на вълните, и на частиците - фотоните като квант на енергията. Обектна точка, фокусирана върху фоторецептора на ретината, например върху мембраната на конуса, може да позволи на окото да формира собствена филтрирана стойност като основни спектрални лъчи на светлината и да ги сортира по дължина на вълната. Според стойностите на енергията на квантите, в мозъка точката на обекта ще бъде прехвърлена към усещането за цвят (фокусирано оптично изображение).